Boucler les métaux avec la chaleur

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Concepts clésPhysiqueTempératureDilatation thermiqueMétaux

Introduction Aimez-vous emballer des cadeaux pour les gens? Peut-être avez-vous même enroulé un ruban avec des ciseaux (ou regardé quelqu'un d'autre le faire). Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi le ruban s'enroule lorsque vous passez une lame de ciseaux sur un côté ? La réponse est que lorsque vous appliquez une pression sur le ruban avec la lame des ciseaux, la couche externe du ruban s'étire et se dilate. Cela rend la couche extérieure du ruban plus longue que la couche intérieure qui est pressée contre la lame. En conséquence, le ruban s'enroule pour compenser les différentes longueurs de chacune de ses couches. Dans cette activité, vous ferez également boucler des matériaux. Pour ces matériaux, cependant, vous n'aurez pas besoin de ciseaux : vous utiliserez plutôt de la chaleur !

Arrière-plan Vous savez probablement ou avez vu que les matériaux sont capables de changer de forme ou de volume lorsqu'ils sont chauffés ou refroidis. Cela est vrai pour les solides, les liquides et les gaz, qui sont tous constitués d'atomes et de molécules. Une fois exposées à la chaleur, ces molécules commencent à vibrer et à se déplacer plus rapidement. Cela fait que les molécules se dispersent et prennent plus de place. En conséquence, un matériau se dilate légèrement lorsqu'il devient chaud. En revanche, lorsqu'un matériau est froid, les molécules bougent moins, ce qui leur fait prendre moins de place. Ainsi, les matériaux rétrécissent lorsqu'ils refroidissent. Bien que tous les matériaux se dilatent lorsqu'ils sont chauffés, ils ne se dilatent pas tous au même degré. La quantité de dilatation d'un matériau lorsqu'il est chauffé est décrite par son coefficient de dilatation thermique. Par exemple, l'aluminium se dilate de 21 à 24 micromètres par mètre si vous augmentez sa température de 1 degré Celsius.

Que se passe-t-il lorsqu'un objet est composé de plusieurs matériaux ? Ils se dilateront tous les deux différemment lorsqu'ils seront chauffés ! En fait, il existe des matériaux spéciaux appelés bimétalliques qui utilisent leurs différentes propriétés de dilatation thermique. Un bimétal est un objet composé de deux couches distinctes de métaux différents qui sont prises en sandwich. Lorsqu'un bimétal est chauffé, l'un des métaux se dilate plus que l'autre. Il en résulte que le bimétal se courbe (ou s'enroule) dans une direction, tout comme le ruban de l'emballage cadeau. En raison de cet effet, les bimétalliques sont souvent utilisés pour indiquer les changements de température, comme dans les thermomètres à cadran à aiguille (tels que ceux utilisés dans les fours ou les réfrigérateurs). À l'intérieur de ces thermomètres, une bobine bimétallique est attachée à un pointeur. Lorsque la température change, le pointeur se déplace en fonction de la quantité de déformation de la bobine bimétallique.

Dans cette activité, vous verrez par vous-même comment différentes propriétés de dilatation thermique peuvent faire courber un objet. Prêt à apporter de la chaleur ?

Matériaux

Préparation

Procédure

Observations et résultats Avez-vous vu l'une de vos bandes s'enrouler au-dessus de la flamme de la bougie ? Tu aurais dû! La bande tout aluminium et la bande tout papier ne doivent pas avoir changé lorsque vous les avez tenues au-dessus de la flamme. En effet, les deux couches de la bande sont constituées du même matériau. Si la bande devient chaude, ce que vous auriez dû remarquer en la touchant, les deux couches se dilatent de la même manière. Cependant, si la bande est composée de deux matériaux différents, comme celui que vous avez fabriqué à partir de papier et d'aluminium, quelque chose de différent se produira.

Lorsque vous tenez la bande de papier/aluminium au-dessus de la flamme, vous avez probablement observé qu'elle a immédiatement commencé à se plier ou à s'enrouler dans une direction. Il s'enroule vers le haut lorsque la couche d'aluminium fait face à la bougie et vers le bas lorsque la couche d'aluminium fait face au plafond. En effet, l'aluminium et la couche de papier chauffent au-dessus de la flamme. L'aluminium se dilate plus que le papier en raison de son coefficient de dilatation thermique plus élevé. Parce que le papier et l'aluminium sont collés ensemble, l'aluminium s'enroule loin de la bande de papier pour compenser les différentes longueurs de chacune de ses couches, comme le ruban d'emballage cadeau enroulé ! Vous verrez des résultats similaires avec d'autres bandes composées de deux matériaux différents qui ont des coefficients de dilatation thermique différents.

Nettoyer Assurez-vous de souffler la bougie. Vous pouvez recycler tout papier ou aluminium inutilisé.

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Cette activité vous est proposée en partenariat avec Science Buddies

Archon Fung, Lawrence Lessig et The Conversation US

Clara Moskowitz

Flora Lichtmann

Lauren J.Young

Luke Taylor et le magazine Nature

Chelsea Harvey et E&E News